SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES

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1 DEPECA - UAH SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES Seminario de Microrrobots de Marzo 2006 Oscar González Martínez

2 Introducción Queremos construir un robot complejo. Cómo lo podemos hacer? Memoria Cámara FW Motores Acceso a redes USB Sensores Hombrecillo, pensativo: Programador

3 Introducción Introducción Gracias al aumento de las prestaciones de los Microcontroladores y Microprocesadores cada vez: su uso se ha extendido a muchos campos. Ordenadores, Teléfonos, Alarmas... Robots Su tamaño y consumo se reducen más Permite creación de aplicaciones más potentes y variadas. Ofrecen mayor velocidad y capacidad de cómputo

4 Introducción Todo esto viene acompañado de un incremento de la complejidad del dispositivo Z80,8086 HC11,M68k... Antes Pentium M, HC12, AT91X Ahora Consecuencia: DIFICULTAD INCREMENTO de la dificultad en el diseño de las aplicaciones, programas

5 Introducción Cómo podemos implementar un sistema complejo (robot) donde...: Existen diversos subsistemas que han de ser controlados? Motores Sensores Control de Baterias... MICROCONTROLADOR

6 Introducción Deben funcionar de forma coordinada unos con otros?. Dos opciones: 1ª: Nos lo curramos nosotros. 2ª: Usamos un programa que nos ayude. PLANIFICADOR

7 Introducción Necesitamos tener seguridad de que: Reaccione ante eventos en un tiempo máximo? Restricciones temporales: Sistema de Tiempo Real Se pueda recuperar ante errores leves y/o graves? Métodos para llevar al sistema a estados estables y conocidos cuando se produzca algún tipo de error. Mecanismos de Traza inversa. Sea móvil y autónomo (consumo y tamaño reducidos)? Sistema EMPOTRADO

8 Programación en uc DISEÑO DEL SISTEMA: Hasta ahora: Para la atención ante eventos Rutinas de atención a las Interrupciones Evento TAREA en EJECUCIÓN Planificación de Temporicación Microcontrolador

9 Programación en uc El desarrollo del software del sistema consistía en: Planificación Programación de la aplicación EN SÍ Planificación de la temporización a nivel de interrupción, estudiando su viabilidad junto a la tarea principal en ejecución. TIEMPO DE DESARROLLO ALTO Además de la dependencia directa con el microcontrolador Programación COMPLICADO SI EL NÚMERO DE TAREAS AUMENTA

10 Programación en uc Pero... Y si utilizamos un programa específico, sobre el que ejecutamos nuestros programas, que conoce las capacidades de nuestro hardware y nos ayuda a manejarlo? Nos aporta funciones para quitarnos trabajo, entre otras cosas, en: La ejecución a la vez de multiples tareas. La planificación y temporización de las tareas.

11 Programación en uc Este modelo de desarrollo aporta: Disminuye la complejidad en la programación del sistema. Se dedica más tiempo a la programación de la aplicación en sí. Se incrementa la portabilidad de los programas al no hablar estos directamente con el hardware. PROGRAMAS SO HARDWARE

12 Programación en uc Se hace uso de funciones genéricas que ahorran trabajo. Aumenta la seguridad ante errores simples/graves del sistema. int a; while(condicion_verdadera) { a++; } /* CONDICION_VERDADERA sucede que nunca es falsa */ Posible error de desbordamiento de la variable a. Espera activa EL SISTEMA SE PUEDE COLGAR

13 Programación en uc Solución: MICROCONTROLADOR + SISTEMA OPERATIVO

14 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES Qué es un Sistema Operativo? Conjunto de programas destinados a abstraer el HW de un dispositivo al Usuario, gestionando sus recursos de forma eficiente. Todos las aplicaciones del usuario se ejecutarán haciendo uso de las PRIMITIVAS(funciones) que aporta el S.O., evitando la comunicación directa de éstos con el hardware.

15 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES Por qué y para qué el uso de un SO? Ofrecen una visión menos compleja del HW Facilitan el manejo del HW aportando funciones al usuario. Portabilidad de las librerias y programasº Hace parecer al usuario que se ejecutan todas las aplicaciones al mismo tiempo. Aportan seguridad en el funcionamiento del sistema y/o uso malintencionado de él mismo. Soporte ante posibles fallos de las aplicaciones que se ejecutan.

16 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES Partes de un SO: Programa 1 Programa 2 Programa 3 Aplicaciones de Usuario HAL(Hardware Abstration Layer) MANEJADORES de DISPOSITIVOS KERNEL del S. O. HARDWARE

17 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES Dónde se utilizan los SSOO? Dependiendo: de las funciones que nos ofrezcan: Sistemas Operativos Genéricos Sistemas Operativos Específicos del dispositivo que se emplee: uprocesador ucontrolador

18 SISTEMAS OPERATIVOS EN Departamento MICROCONTROLADORES Requisitos: El microcontrolador necesitará mayores recursos que en el caso de no ejecutar un SO. Existen procesos que siempre se estarán ejecutando consumiendo recursos. Hecho cada vez menos relevante, pues lo dispositivos cada vez son más potentes. Aunque abstraiga el HW, es necesario por parte del programador conocerlo y saber sus posibilidades.

19 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES Los requisitos variaran en función de la aplicación, pero como elementos básicos, son necesarios: Un dispositivo de almacenamiento no volátil: Lugar donde se almacenan el SO y los programas cuando sistema está apagado. Memoria NVRAM, Flash... Memoria de ejecución: RAM Al arrancar se cargan el Kernel(SO), los programas y los datos de usuario. Opcionales: Gestor de Memoria: MMU, DMA... Cuando se use Memoria Virtual y/o acceso directo a memoria Periféricos: Sensores, Teclado, Pantalla, etc.

20 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES La Portabilidad Los microcontroladores se pueden programar usando: Lenguaje Máquina: Lenguajes de Bajo Nivel: ENSAMBLADOR MOV AX, BX Lenguajes de Alto Nivel: BASIC, C, C++... A = B Al emplear lenguajes de alto nivel, sólo es necesario compilar el programa para la arquitectura del microcontrolador que se va a usar.

21 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES El Planificador Programa que junto al conmutador decide que tareas se ejecutan en cada momento. Distribuye el tiempo de ejecución en el microcontrolador de las diferentes tareas de usuario.

22 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES APLICACIONES DE USUARIO MÓDULOS Compilador + Enlazador Librerias Sistema Operativo (KERNEL) 8051 AVR ARM MC68K x86 usparc PPC

23 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES Tipos de SSOO Según la clase de sistema en el que se ejecutan: Ordenador Personal Dispositivo móvil: Sistema Empotrado PDA's, Móviles, Routers, Fotocopiadoras... Robots

24 SISTEMAS OPERATIVOS EN MICROCONTROLADORES Según el tipo de licencia: Propietaria Código de los programas = CERRADO. No se pueden modificar Su obtención es a partir de un PAGO por licencia de uso Libre distribución Código de los programas puede ser leido por cualquier persona Su obtención a partir de diversas fuentes GRATUITAS

25 SISTEMAS OPERATIVOS EN Departamento MICROCONTROLADORES Según su tipo de respuesta ante eventos: Interactivos: Existe interfaz de usuario ya sea físico o visual. Su tiempo de respuesta ante eventos producidos por el usuario tiende a ser corto. Tiempo Real Usados para aplicaciones donde el tiempo de ejecución es muy importante. El tiempo de respuesta ante eventos está acotado a un valor máximo.

26 GNU/Linux - Kernel Breve Historia y Evolución 1991: Linus Torvalds escribe el Kernel de Linux en la Universidad de Helsinki en 6 meses empleando su PC : Linus comparte su kernel en la red, haciendo que los programadores se queden asombrados, y deciden contribuir en el proyecto de desarrollo del nuevo núcleo. 1992: Linux se libera bajo la licencia GNU General Public License 1994: La version 1.0 de Linux : Se funda la empresa Red Hat por Bob Young y Marc Ewing, creando un nuevo modelo de negocio entorno a Linux : GNU/Linux y el desarrollo de software libre se ponen a disposición en los servidores de Internet. 2001: IBM invierte un 1 billion de dólares en Linux 2002: GNU/Linux comienza a adoptarse en diversos sectores de la industria.

27 GNU/Linux - Kernel Es el núcleo del Sistema Operativo Su código fuente es abierto. Se puede modificar. Es portable entre arquitecturas, además de configurable a medida, sólo es necesario compilarlo con las opciones y servicios que sean necesarios. El soporte: Lo somos TODOS. Las fuentes y la documentación se pueden encontrar en Internet:

28 GNU/Linux - Kernel El Kernel es una imagen que se almacena en memoria no volátil y que se carga cuando se arranca el dispositivo. Aporta seguridad en la ejecución de programas de usuario: Plano Usuario- Kernel. El usuario no interactúa directamente con el HW, todas las peticiones han de pasar por el Kernel El número de clases de estas peticiones (Manejadores y Servicios) dependerá con las que se haya creado el Kernel.

29 GNU/Linux - Kernel Para dar soporte al HW(Drivers) y ofrecer servicios, existen dos métodos: Incluir todos los drivers y servicios dentro del Kernel. Cuidado con el tamaño de la imagen Carga rápida Aplicación DRIVER de Memoria USB Memoria USB USUARIO KERNEL HARDWARE

30 GNU/Linux - Kernel Incluir parte dentro del Kernel y parte fuera: MÓDULOS. Los módulos son programas que se ejecutan cuando son necesarios desde el plano de usuario, siendo capaces de interectuar directamente con el Kernel. Flexibilidad y escalabilidad Modulo del USB Memoria USB Aplicación USUARIO KERNEL HARDWARE

31 L.Embebido - Kernel Reducido Departamento Kernel especial cada vez más utilizado para sistemas empotrados. Aspectos más relevantes: Hardware soportado(cada vez mayor). Código fuente abierto. Calidad y estabilidad del código. Seguridad. Protocolos de comunicaciones y estándares de software. Soporte Disponibilidad de herramientas Coste y tipo de licencia

32 Linux Embebido Kernel Departamento Reducido Especificaciones genéricas de un SO para usarlo en un sistema empotrado: Tamaño de la imagen reducida Escalable Configurable Soporte para la arquitectura del núcleo(cpu) Manejadores de los dispositivos Robusto ante fallos

33 L.Embebido - Kernel Reducido Departamento Ejemplos de SO Embebidos basados en Linux para sistemas empotrados uclinux Emdebian RTLinux BlueCat AMIRIX

34 L.Embebido - Kernel Reducido Departamento Ejemplo: Características: S.O. Multitarea con arquitectura modular Kernel v2.4.x y v2.6x Protocolos de red (TCP/IP, SLIP, PPP) Sistemas de ficheros (ext2, NFS, FATx) Ausencia de gestión de Memoria (MMU) NO memoria virtual NO protección de memoria Librerias de Linux (libc) Programas varios: Shell, mount, ls, cp......

35 Creación de una plataforma Tras estos conceptos nos surgen ciertas preguntas para la creación de una plataforma. Cómo podemos conseguir un entorno basado en Linux embebido? Cuáles son los pasos a seguir? Cuáles son los requisitos mínimos del sistema? Qué herramientas HW/SW son necesarias? Es posible con nuestros medidos conseguir un microcontrolador que funcione con Linux embebido?

36 Creación de una plataforma Todo es relativo, dependiendo de las capacidades que impongamos a nuestro sistema. Restricciones en cuanto a los medios que se dispongan. Clase y tipo ( tamaño ) de los componentes a usar Son necesarios conocimientos de diversas ramas para el desarrollo: Diseño del PCB, Diseño del Hardware.. Programación..

37 Creación de una plataforma Existen dos opciones que debemos tener en cuenta a la hora del desarrollo: Comprar una tarjeta con el HW ya montado Partir de cero comprando los componentes y haciendo un sistema a nuestra medida. Cada una tendrá sus ventajas e inconvenientes.

38 Creación de una plataforma El S.O. y las aplicaciones se crean en un Entorno de de desarrollo (SDK): En un PC se instalan las herramientas de desarrollo (CrossTools). Suelen estar en la red o son suministradas por el fabricante. Constan de: Compilador y Enlazador cruzado entre arquitecturas(pc-host). Programas ejemplo de Bootloader y Cargadores. RootFS básico. Librerias de desarrollo. Documentación.

39 Creación de una plataforma Modos de Operación: Compilación de la imagen del Kernel y creación de un entorno root con un sistema de ficheros..c.h...c.h...c.h.. Compilador y enlazador cruzados.c.h.. A partir de: mkcramfs mkfs.ext2 mkfs.jffs2....bin Módulos RootFS Kernel(vmlinuz)

40 Creación de una plataforma Carga de los ficheros en nuestro sistema empotrado: Bootstrap Bootstrap vmlinuz Módulos RootFS Bootloader Bootloader vmlinuz Módulos RootFS IMAGEN (.BIN)

41 Ejemplo: UNC20 Ejemplo de sistema hardware para desarrollo: UNC20 Basado en ARM7TDMI Fclk < 55MHz Interface Ethernet Interfaz de serie RS232 Puertos genericos de E/S Canales DMA JTAG para test y depuración Empleado en un TFC de un estudiante de la UAH

42 Referencias BIBLIOGRAFÍA Linux Device Drivers. O'Really, Alessandro Rubini & Jonathan Corbet. Building Linux Embedded Systems. O'Really, Karim Yaghmour. Programming Embedded Systems in C/C++. O'Really, Michael Barr. Embedded Linux System Design and Development, (Hardcover) Understanding the Linux Kernel, Paperback, Daniel Bovet. Marco Cesati. TFC: Desarrollo de Aplicaciones para un sistema empotrado con SO Linux y el módulo UNC20 basado en núcleo de microprocesador ARM7TDMI, José Antonio Rangel García. (SEPT- 2005). Libros de programación en C para UNIX

43 Referencias Asignaturas: Sistemas Ecos Digitales (IT, ITT en SE) Arquitectura de Computadores(IT, ITT en Telemática) Ampliación de SSOO (IT) Sistemas Electrónicos Avanzados de Control (IE) Instrumentación Biomédica (IT, IE)

44 MUCHAS GRACIAS

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